Non-Cooperative Games for Self-Interested Planning Agents

Abstract

Multi-Agent Planning (MAP) is a topic of growing interest that deals with the problem of automated planning in domains where multiple agents plan and act together in a shared environment. In most cases, agents in MAP are cooperative (altruistic) and work together towards a collaborative solution. However, when rational self-interested agents are involved in a MAP task, the ultimate objective is to find a joint plan that accomplishes the agents' local tasks while satisfying their private interests.

Among the MAP scenarios that involve self-interested agents, non-cooperative MAP refers to problems where non-strictly competitive agents feature common and conflicting interests. In this setting, conflicts arise when self-interested agents put their plans together and the resulting combination renders some of the plans non-executable, which implies a utility loss for the affected agents. Each participant wishes to execute its plan as it was conceived, but congestion issues and conflicts among the actions of the different plans compel agents to find a coordinated stable solution.

Non-cooperative MAP tasks are tackled through non-cooperative games, which aim at finding a stable (equilibrium) joint plan that ensures the agents' plans are executable (by addressing planning conflicts) while accounting for their private interests as much as possible. Although this paradigm reflects many real-life problems, there is a lack of computational approaches to non-cooperative MAP in the literature.

This PhD thesis pursues the application of non-cooperative games to solve non-cooperative MAP tasks that feature rational self-interested agents. Each agent calculates a plan that attains its individual planning task, and subsequently, the participants try to execute their plans in a shared environment. We tackle non-cooperative MAP from a twofold perspective. On the one hand, we focus on agents' satisfaction by studying desirable properties of stable solutions, such as optimality and fairness. On the other hand, we look for a combination of MAP and game-theoretic techniques capable of efficiently computing stable joint plans while minimizing the computational complexity of this combined task. Additionally, we consider planning conflicts and congestion issues in the agents' utility functions, which results in a more realistic approach.

To the best of our knowledge, this PhD thesis opens up a new research line in non-cooperative MAP and establishes the basic principles to attain the problem of synthesizing stable joint plans for self-interested planning agents through the combination of game theory and automated planning.

La Planificación Multi-Agente (PMA) es un tema de creciente interés que trata el problema de la planificación automática en dominios donde múltiples agentes planifican y actúan en un entorno compartido. En la mayoría de casos, los agentes en PMA son cooperativos (altruistas) y trabajan juntos para obtener una solución colaborativa. Sin embargo, cuando los agentes involucrados en una tarea de PMA son racionales y auto-interesados, el objetivo último es obtener un plan conjunto que resuelva las tareas locales de los agentes y satisfaga sus intereses privados.

De entre los distintos escenarios de PMA que involucran agentes auto-interesados, la PMA no cooperativa se centra en problemas que presentan un conjunto de agentes no estrictamente competitivos con intereses comunes y conflictivos. En este contexto, pueden surgir conflictos cuando los agentes ponen en común sus planes y la combinación resultante provoca que algunos de estos planes no sean ejecutables, lo que implica una pérdida de utilidad para los agentes afectados. Cada participante desea ejecutar su plan tal como fue concebido, pero las congestiones y conflictos que pueden surgir entre las acciones de los diferentes planes fuerzan a los agentes a obtener una solución estable y coordinada.

Las tareas de PMA no cooperativa se abordan a través de juegos no cooperativos, cuyo objetivo es hallar un plan conjunto estable (equilibrio) que asegure que los planes de los agentes sean ejecutables (resolviendo los conflictos de planificación) al tiempo que los agentes satisfacen sus intereses privados en la medida de lo posible. Aunque este paradigma refleja muchos problemas de la vida real, existen pocos enfoques computacionales para PMA no cooperativa en la literatura.

Esta tesis doctoral estudia el uso de juegos no cooperativos para resolver tareas de PMA no cooperativa con agentes racionales auto-interesados. Cada agente calcula un plan para su tarea de planificación y posteriormente, los participantes intentan ejecutar sus planes en un entorno compartido. Abordamos la PMA no cooperativa desde una doble perspectiva. Por una parte, nos centramos en la satisfacción de los agentes estudiando las propiedades deseables de soluciones estables, tales como la optimalidad y la justicia. Por otra parte, buscamos una combinación de PMA y técnicas de teoría de juegos capaz de calcular planes conjuntos estables de forma eficiente al tiempo que se minimiza la complejidad computacional de esta tarea combinada. Además, consideramos los conflictos de planificación y congestiones en las funciones de utilidad de los agentes, lo que resulta en un enfoque más realista.

Bajo nuestro punto de vista, esta tesis doctoral abre una nueva línea de investigación en PMA no cooperativa y establece los principios básicos para resolver el problema de la generación de planes conjuntos estables para agentes de planificación auto-interesados mediante la combinación de teoría de juegos y planificación automática.

La Planificació Multi-Agent (PMA) és un tema de creixent interès que tracta el problema de la planificació automàtica en dominis on múltiples agents planifiquen i actuen en un entorn compartit. En la majoria de casos, els agents en PMA són cooperatius (altruistes) i treballen junts per obtenir una solució col·laborativa. No obstant això, quan els agents involucrats en una tasca de PMA són racionals i auto-interessats, l'objectiu últim és obtenir un pla conjunt que resolgui les tasques locals dels agents i satisfaci els seus interessos privats.

D'entre els diferents escenaris de PMA que involucren agents auto-interessats, la PMA no cooperativa se centra en problemes que presenten un conjunt d'agents no estrictament competitius amb interessos comuns i conflictius. En aquest context, poden sorgir conflictes quan els agents posen en comú els seus plans i la combinació resultant provoca que alguns d'aquests plans no siguin executables, el que implica una pèrdua d'utilitat per als agents afectats. Cada participant vol executar el seu pla tal com va ser concebut, però les congestions i conflictes que poden sorgir entre les accions dels diferents plans forcen els agents a obtenir una solució estable i coordinada.

Les tasques de PMA no cooperativa s'aborden a través de jocs no cooperatius, en els quals l'objectiu és trobar un pla conjunt estable (equilibri) que asseguri que els plans dels agents siguin executables (resolent els conflictes de planificació) alhora que els agents satisfan els seus interessos privats en la mesura del possible. Encara que aquest paradigma reflecteix molts problemes de la vida real, hi ha pocs enfocaments computacionals per PMA no cooperativa en la literatura.

Aquesta tesi doctoral estudia l'ús de jocs no cooperatius per resoldre tasques de PMA no cooperativa amb agents racionals auto-interessats. Cada agent calcula un pla per a la seva tasca de planificació i posteriorment, els participants intenten executar els seus plans en un entorn compartit. Abordem la PMA no cooperativa des d'una doble perspectiva. D'una banda, ens centrem en la satisfacció dels agents estudiant les propietats desitjables de solucions estables, com ara la optimalitat i la justícia. D'altra banda, busquem una combinació de PMA i tècniques de teoria de jocs capaç de calcular plans conjunts estables de forma eficient alhora que es minimitza la complexitat computacional d'aquesta tasca combinada. A més, considerem els conflictes de planificació i congestions en les funcions d'utilitat dels agents, el que resulta en un enfocament més realista.

Des del nostre punt de vista, aquesta tesi doctoral obre una nova línia d'investigació en PMA no cooperativa i estableix els principis bàsics per resoldre el problema de la generació de plans conjunts estables per a agents de planificació auto-interessats mitjançant la combinació de teoria de jocs i planificació automàtica.